三維流體心血管動畫在心臟外科教學中的應用和評價

鄭佳，王芳韻，柏松，李曉峰，童峰，范凡，郭張科，李志敏

首都醫科大學附屬北京兒童醫院心臟中心，北京 100045

先天性心臟病是由基因和環境因素共同作用的以發育中的心臟結構和血流動力學異常為主要表現的疾病，發病率占活產嬰兒的0.8%～1.0%。人種和社會經濟等因素對發病率幾乎沒有影響[1]。該病嚴重影響新生兒和少年兒童的生活質量，是最常見的需要外科干預的先天畸形[2]。因此在本科和研究生教學中，不管是內科、外科還是兒科，對先天性心臟病的病因、分類、臨床表現都有較多的章節介紹[3]。

傳統教學法主要以教師講述具體心臟疾病的病理特點，結合靜態的二維彩色圖片或心臟塑料模型幫助學生掌握和理解內容。此種教學方法造成學生對疾病的認識較為抽象，學習難度較大[4-5]。本研究將三維流體心血管動畫技術應用于臨床教學工作中，通過演示血流動力學特點，推導出相應的臨床表現，使學生直觀地認知先天性心臟病，掌握教學大綱要求的知識點，達到教學目的。

1 資料和方法

1.1 一般資料

選取2021年12月至2022年12月在首都醫科大學附屬北京兒童醫院心臟中心實習的27 名研究生為授課對象。所有學生均無外科臨床工作經驗，且接受過6 個月以上的理論課教學。

1.2 制作三維流體動畫視頻

本研究以胎兒循環卵圓孔未閉和先天性心臟病–房間隔缺損作為視頻制作對象。第一步：通過3D Studio Max 制作虛擬化的三維靜態心臟幾何模型；第二步：工程師使用UV 貼圖技術將三維結構的心臟展開在二維畫布上，由醫生指導下一步著色；第三步：應用基于物理渲染（physically-based rendering，PBR）技術，用著色器繪制逼真的數字心臟；第四步：使用三維軟件沿時間軸設置關鍵幀；第五步：對動畫的靜態和運動形式進行渲染修飾，見圖1。

1.3 教學評估內容和方法

根據教學倫理學的要求，本研究比較兩種教學方法的效果未采用隨機分組而是應用自身對照實驗法。對學生第一次采用傳統教學法，即教師講授幻燈片模式；第二次采用三維流體動畫教學法，組織學生觀看三維流體動畫視頻，教師進行補充說明。兩種教學方法間隔1h。每種方法教學后立即組織學生進行理論考試，兩次考試完成后教師統一批改試卷。考試內容為6 個單項選擇題，滿分計為1 分。最后學生通過滿意度調查問卷的形式對教學工作進行評價。

1.4 統計學方法

采用SPSS 17.0 統計學軟件對數據進行處理分析，計量資料以均數±標準差（±s）表示，比較采用t檢驗，計數資料以例數（百分率）[n（%）]表示，P<0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩種教學方法考試成績比較

結果顯示，傳統教學法學生成績為（0.60±0.09）分，三維流體動畫教學法學生成績為（0.76±0.15）分，差異有統計學意義（P<0.05）。

2.2 學生對三維流體動畫教學法滿意度調查

滿意度調查顯示，92%的學生認為教學內容安排合理，78%的學生認為教學內容重點突出，92%的學生認為教學內容與臨床聯系緊密，100%的學生認為教學方法新穎吸引力強，92%的學生認為教師熟練使用新的教學方法，見表1。

3 討論

醫學是研究生命的科學，醫學教育伴隨時代的發展不斷進步。1912年愛丁堡大學的Smith 教授首先提出基于案例的教學（case based learning，CBL）模式，并被廣泛接受[6]。1969年，Barrows 教授在加拿大醫學院試行基于問題的教學（problem based learning，PBL）模式[7]。2010年以來，隨著計算機技術的進步，過去昂貴、費時的動畫技術得到普及。醫學專家聯合計算機工程師制作醫學專業動畫，充分發揮雙方的專業優勢，使三維動畫呈現逼真的效果，可以說三維動畫是一種“活體”解剖[8]。對傳統教學中的難點，如心臟的血流動力學，需要學生通過復雜的、抽象的語言在頭腦中形成動態圖像[9]。三維流體動畫教學法可充分調動學生的視覺、聽覺和記憶系統，使學生對知識的記憶更加深刻，且更符合年輕一代學生的認識和學習習慣[10]。教師在應用三維流體動畫教學法時要意識到技術是服務于教學的，在授課時要緊扣教學大綱，做到既重點突出又豐富有趣。